Question

【题目】随着材料科学的发展，金属钒及其化合物得到了越来越广泛的应用。为回收利用含钒催化剂（含有V2O5、VOSO4及不溶性残渣），科研人员最新研制了一种用离子交换法回收钒的新工艺，回收率达到91.7%。部分含钒物质在水中的溶解性如下表所示：

该工艺的主要流程如图所示：

请问答下列问题：

（1）工业上由V2O5冶炼金属钒常用铝热剂法，其化学方程式可表示____________，用铝热剂法从下列各金属氧化物中冶炼出各1mol对应的金属，耗铝粉的质量最多的是________

a．Fe3O4 b．Ni2O3 c．V2O5 d．MnO2

（2）反应①的化学方程式为_________________________

（3）若反萃取使用硫酸用量过大，进一步处理会增加_______（填化学式）的用量，造成成本增大。

（4）反应②的化学方程式为：KClO3+6VOSO4+3H2O===3(VO2)2SO4+KCl+3H2SO4。若反应①用的还原剂与反应②用的氧化剂的物质的量之比为12︰7，则废钒催化剂中VOSO4 和V2O5的物质的量之比为_____

（5）该工艺反应③的沉淀率（又称沉钒率）是回收钒的关键之一，写出该步发生反应的离子方程式_

（6）用已知浓度的酸化的H2C2O4溶液滴定(VO2)2SO4溶液，以测定反应②后溶液中的含钒量，已知该反应的还原产物为VO2+，氧化产物为CO2，则该反应的离子方程式为：_________________

（7）钒电池是以溶于一定浓度硫酸溶液中不同价态的钒离子（V2+、V3+、VO2+、VO2+）为正极和负极反应的活性物质，电极均为铂棒，电池总反应为：VO2++V3++H2OV2++VO2++2H+

①放电时的正极反应为_______________________

②充电时的阴极反应为______________________

Answer 1

【答案】3V2O5+10Al6V+5Al2O3 c V2O5+Na2SO3+2H2SO4===2VOSO4+Na2SO4+2H2O NH3·H2O 3︰2 NH4+ +VO3﹣===NH4VO3↓ 2VO2+ +H2C2O4+2H+===2VO2+ +2CO2↑+2H2O VO2++2H++e﹣===VO2++H2O V3++e﹣===V2+

【解析】

废钒催化剂粉碎、水浸，将溶解性物质溶于水，然后过滤得到滤渣和滤液，根据溶解性表知，滤液中含有VOSO4，滤渣中含有V2O5等不溶性杂质，向滤渣中加入亚硫酸钠和稀硫酸，亚硫酸钠具有还原性，能将V2O5还原为VOSO4，然后过滤得到滤渣和滤液，将两部分滤液混合并加入氯酸钾，氯酸钾具有氧化性，能将VOSO4氧化为（VO2）2SO4，调节溶液pH为8且采用离子交换方法得到VO3-，向溶液中加入氯化铵，得到难溶性的NH4VO3，焙烧NH4VO3得到V2O5。

（1）由V2O5冶炼金属钒常用铝热剂法，其化学方程式为3V2O5+10Al6V+5Al2O3。物质与转移电子关系式为：a．Fe3O4～e-～Fe；b．Ni2O3～3e-～Ni；c．V2O5～5e-～V；d．MnO2～4e-～Mn，由得失电子守恒可知，用铝热剂法从各金属氧化物中冶炼出各1mol对应的金属，耗铝粉的质量最多的是c；

（2）加入硫酸和亚硫酸钠，目的是利用氧化还原反应，用亚硫酸钠还原V2O5，将V2O5转化为可溶性的VOSO4，便于提纯，则反应①的化学方程式为V2O5+Na2SO3+2H2SO4===2VOSO4+Na2SO4+2H2O；

（3）若反萃取使用硫酸用量过大，就需要用碱来中和，据流程图可知，进一步处理会增加NH3·H2O的用量，造成成本增大；

（4）假设两步所用试剂Na2SO3与KC1O3的物质的量为12mol：7mol，分别据两个方程式：
Na2SO3 + V2O5 + 2H2SO4 = 2VOSO4 + Na2SO4 + 2H2O
12mol 12mol 24mol

KClO3+6VOSO4+3H2SO4═3（VO）2（SO4）3+KCl+3H2O

7mol 42mol
该催化剂中VOSO4的物质的量为42mol-24mol=18mol，因此该催化剂中VOSO4、V2O5的物质的量之比为 18mol：12mol=3：2；

（5）该工艺反应③的沉淀率（又称沉钒率）是回收钒的关键之一，铵根离子和VO3-反应生成难溶性的NH4VO3，根据NH4VO3难溶于水，利用复分解反应沉淀VO3-，反应的离子方程式为NH4+ +VO3﹣===NH4VO3↓；

（6）用酸化的H2C2O4溶液滴定(VO2)2SO4溶液，该反应的还原产物为VO2+，氧化产物为CO2，根据化合价升降配平，写出该反应的离子方程式为：2VO2+ +H2C2O4+2H+===2VO2+ +2CO2↑+2H2O；

（7）①正极反应是还原反应，由电池总反应可知放电时的正极反应为VO2++2H++e﹣===VO2++H2O；

②充电时，阴极反应为还原反应，故为V3+得电子生成V2+的反应，电极反应为V3++e﹣===V2+。